טלסקופ החלל החזק ביותר שנבנה אי פעם יביט אחורה בזמן אל התקופות האפלות של היקום

יש כאלה שכינו את טלסקופ החלל ג'יימס ווב של נאס"א "טלסקופ שאכל אסטרונומיה." זה טלסקופ החלל החזק ביותר נבנה אי פעם ויצירה מורכבת של אוריגמי מכני שדחף את גבולות הנדסת האנוש. ב-18 בדצמבר 2021, לאחר שנים של עיכובים וחריגות של מיליארדי דולרים, הטלסקופ מתוכנן לשגר למסלול ולהתחיל את העידן הבא של האסטרונומיה.

אני אַסטרוֹנוֹם עם התמחות בקוסמולוגיה תצפיתית - אני חוקר גלקסיות רחוקות כבר 30 שנה. כמה מהשאלות הגדולות ביותר ללא מענה על היקום נוגעות לשנים הראשונות שלו מיד לאחר המפץ הגדול. מתי נוצרו הכוכבים והגלקסיות הראשונים? מה הגיע קודם, ולמה? אני מאוד נרגש מכך שאסטרונומים עשויים לחשוף בקרוב את הסיפור של איך התחילו גלקסיות מכיוון שג'יימס ווב נבנה במיוחד כדי לענות על השאלות הללו בדיוק.

"העידנים האפלים" של היקום

עדויות מצוינות מראות שהיקום התחיל באירוע שנקרא המפץ הגדול לפני 13.8 מיליארד שנים, מה שהותיר אותו במצב חם במיוחד, צפוף במיוחד. היקום החל מיד להתפשט לאחר המפץ הגדול, והתקרר תוך כדי כך. שנייה אחת לאחר המפץ הגדול, היקום היה בקוטר של מאה טריליון קילומטרים עם טמפרטורה ממוצעת של 18 מיליארד מעלות פרנהייט (10 מיליארד מעלות צלזיוס) מדהימים. בסביבות 400,000 שנים לאחר המפץ הגדול, היקום היה בקוטר של 10 מיליון שנות אור וה הטמפרטורה התקררה עד 5,500 מעלות פרנהייט (3,000 מעלות צלזיוס). אם מישהו היה שם כדי לראות את זה בשלב זה, היקום היה זוהר באדום עמום כמו מנורת חום ענקית.

לאורך כל הזמן הזה, החלל היה מלא במרק חלק של חלקיקי אנרגיה גבוהה, קרינה, מימן והליום. לא היה מבנה. ככל שהיקום המתפשט הפך לגדול יותר וקר יותר, המרק התדלדל והכל דהה לשחור. זו הייתה ההתחלה של מה שאסטרונומים מכנים זמנים אפלים של היקום.

המרק של ימי החושך היה לא אחיד לחלוטין ובשל כוח המשיכה, אזורים זעירים של גז החלו להתקבץ יחד ולהיות צפופים יותר. היקום החלק נעשה גושי וגושים קטנים אלה של גז צפופים יותר היו זרעים להיווצרות בסופו של דבר של כוכבים, גלקסיות וכל דבר אחר ביקום.

למרות שלא היה מה לראות, ימי החושך היו שלב חשוב בהתפתחות היקום.

מחפש את האור הראשון

ימי החושך הסתיימו כאשר כוח הכבידה יצר את הכוכבים והגלקסיות הראשונים שבסופו של דבר החלו לפלוט את האור הראשון. למרות שאסטרונומים לא יודעים מתי קרה האור הראשון, הניחוש הטוב ביותר הוא שכן כמה מאות מיליוני שנים אחרי המפץ הגדול. אסטרונומים גם לא יודעים אם נוצרו תחילה כוכבים או גלקסיות.

תיאוריות עדכניות בהתבסס על האופן שבו כוח הכבידה יוצר מבנה ביקום שנשלט על ידי חומר אפל, מצביעים על כך שעצמים קטנים - כמו כוכבים וצבירי כוכבים - נוצרו כנראה תחילה ולאחר מכן גדלו לגלקסיות ננסיות ולאחר מכן לגלקסיות גדולות יותר כמו שביל החלב. הכוכבים הראשונים הללו ביקום היו עצמים קיצוניים בהשוואה לכוכבים של ימינו. הם היו פי מיליון בהיר יותר אבל הם חיו חיים קצרים מאוד. הם נשרפו חם ובהיר וכאשר מתו, הם עזבו מאחור חורים שחורים עד פי מאה מסה של השמש, שאולי יש שימש כזרעים להיווצרות גלקסיות.

אסטרונומים ישמחו לחקור את העידן המרתק והחשוב הזה של היקום, אבל זיהוי אור ראשון הוא מאתגר להפליא. בהשוואה לגלקסיות המאסיביות והבהירות של היום, העצמים הראשונים היו קטנים מאוד ובשל ההתפשטות המתמדת של היקום, הם נמצאים כעת במרחק של עשרות מיליארדי שנות אור מכדור הארץ. כמו כן, הכוכבים המוקדמים ביותר היו מוקפים בגז שנותר מהיווצרותם וגז זה פעל כערפל שקלט את רוב האור. זה לקח כמה מאות מיליוני שנים קרינה כדי לפוצץ את הערפל. האור המוקדם הזה חלש מאוד עד שהוא מגיע לכדור הארץ.

אבל זה לא האתגר היחיד.

כשהיקום מתרחב, הוא מותח ללא הרף את אורך הגל של האור העובר דרכו. זה נקרא היסט לאדום מכיוון שהוא מעביר אור באורכי גל קצרים יותר - כמו אור כחול או לבן - לאורכי גל ארוכים יותר כמו אור אדום או אינפרא אדום. למרות שאינה אנלוגיה מושלמת, זה דומה לאופן שבו כשמכונית חולפת על פניך, הגובה של כל הצלילים שהיא משמיעה יורד בצורה ניכרת.

עד שהאור שנפלט מכוכב או גלקסיה מוקדמים לפני 13 מיליארד שנה הגיע לכל טלסקופ על פני כדור הארץ, הוא נמתח בפקטור של 10 על ידי התפשטות היקום. הוא מגיע כאור אינפרא אדום, כלומר יש לו אורך גל ארוך מזה של אור אדום. כדי לראות אור ראשון, אתה צריך לחפש אור אינפרא אדום.

טלסקופ כמכונת זמן

היכנסו לטלסקופ החלל ג'יימס ווב.

טלסקופים הם כמו מכונות זמן. אם חפץ נמצא במרחק של 10,000 שנות אור, זה אומר שלאור לוקח 10,000 שנים להגיע לכדור הארץ. אז ככל שהאסטרונומים מסתכלים רחוק יותר בחלל, כך יותר אחורה בזמן שאנו מחפשים.

מהנדסים אופטימיזציה של ג'יימס ווב לזיהוי ספציפי של האור האינפרא אדום הקל של הכוכבים או הגלקסיות המוקדמות ביותר. בהשוואה לטלסקופ החלל האבל, לג'יימס ווב יש שדה ראייה רחב פי 15 על המצלמה שלו, אוסף פי שישה יותר אור, והחיישנים שלו מכוונים להיות הרגישים ביותר לאור אינפרא אדום.

האסטרטגיה תהיה ל בוהה עמוק בנקודה אחת של שמיים במשך זמן רב, אוסף כמה שיותר אור ומידע מהגלקסיות הרחוקות והעתיקות ביותר. עם הנתונים האלה, אולי אפשר יהיה לענות מתי וכיצד הסתיימו ימי העידן האפלים, אבל יש עוד הרבה תגליות חשובות שצריך לגלות. לדוגמה, פתיחת הסיפור הזה עשויה גם היא לעזור להסביר את טבעו של החומר האפל, צורת החומר המסתורית שמרכיבה בערך 80 אחוז ממסת היקום.

ג'יימס ווב הוא המשימה הקשה ביותר מבחינה טכנית נאס"א ניסתה אי פעם. אבל אני חושב שהשאלות המדעיות שהוא עשוי לעזור לענות עליהן יהיו שוות כל גרם של מאמץ. אני ואסטרונומים אחרים מחכים בהתרגשות שהנתונים יתחילו לחזור מתישהו בשנת 2022.

מאמר זה פורסם מחדש מתוך שיחה תחת רישיון Creative Commons. קרא את ה מאמר מקורי.

קרדיט תמונה: Hubble Deep Field / נאס"א

מקור: https://singularityhub.com/2021/10/24/the-most-powerful-space-telescope-ever-built-will-look-back-in-time-to-the-dark-ages-of- היקום/